基于CAN总线的网络拓扑结构研究

陈焕霆 刘志浩

摘要：CAN 即“控制器局域网”，是一个 ISO 标准的串行通信协议。最初的CAN 总线由国外一家公司为应对汽车上日益庞大的电子控制设备而开发的系统，其最大的特点就是有很大的拓展性，可承受大批量数据的高频高速通信数据。合理的设计和规划的网络拓扑结构是实现CAN协议的基础，有利于降低成本，提升整个网络的性能。常见的拓扑结构有直线型拓扑、环型拓扑、星型拓扑等【1】。

关键词：CAN总线;网络拓扑;拓扑结构

Discuss the network topology structure based on CAN bus

Chen Huan Ting

Suzhou Huazhan Aerospace Electric Appliance Co.， LTD

Abstract：CAN is "controller LAN"， is an ISO standard serial communication protocol. The original CAN bus is a system developed by a foreign company to cope with the increasingly huge electronic control equipment on the automobile. Its biggest characteristic is that it has great extensibility and CAN withstand the high frequency and high speed communication data of large quantities of data. Choosing an appropriate network topology is the basis of realizing CAN protocol， which is beneficial to reduce communication cost and improve the performance of the whole network. Common topologies include linear topology， ring topology， star topology， etc. [1].

Key words：CAN bus; Network topology; topology

1. 引言

CAN总线作为一种通信网络互联方式，目前已经被被广泛的应用于汽车、工控、通信、军工等行业，最高速率可达到1Mbps。CAN的容纳出错能力特别强，CAN控制器内建了强大的纠错和整理机制。CAN 总线网络是一种真正的多主机多大脑系统网络，在总线处于闲置的情况下，任何一个独立的单元都可以申请成为指挥官，向总线发送消息。

2. CAN总线系统概述

从拓扑图1中可以看到一个CAN总线，主要由CPU，CAN总线控制器，CAN总线收发器组成。

2.1 CAN总线的终端匹配电阻

高频高速信号在工作的情况下，信号的波长较短，信号在传输线终端就会形成反射波，干扰原来的信号，所以需要在线缆的末端增加一个终端匹配电阻，一般是匹配一个120欧姆的电阻，这样可以使信号到达传输线信号末端后不反射，以满足电路可以稳定工作的需要，见图3。

低频信号则不用必须连接终端电阻才可以正常工作，终端匹配电阻要与导线的阻抗相同，典型值为120Ω，其主要的作用的是匹配CAN总线阻抗，提高数据通信的电磁兼容性及可靠性能【3】。

终端电阻并不都是120Ω，以下是ISO11898协议的推荐值，见表1。

CAN总线采用差分信号传输，如果使用带屏蔽双绞线，屏蔽层应单点接地。

一般来说，导线的截面积越小，其分布电容、分布电感和直流电阻越大。当通讯距离很远时，电容、电感和直流电阻就會引起信号衰减，波形失真和抖动。

导线厂家可以提供信号衰减图表。图5所示的曲线显示了AWG24电缆衰减和频率的关系：

3. CAN总线常见的拓扑结构

CAN总线是一种分布式的总线，总线上各个节点的连接方式我们称之为拓扑结构，这种机构对通信链路功能稳定性和效率有很大影响。选择一个合适的网络拓扑结构是实现CAN总线功能的基础，有利于降低通信传输费用，提升整个电气链路的性能【4】。

3.1直线型拓扑结构

直线型拓扑结构是用一根电缆连接网络中的所有节点，每个节点的分支连接到总线的主干，这个主干我们称之为干线，当其中某一个节点发送信号到总线上时，这时候系统就像高铁站的一个广播信号一样，听到这个广播信号的人很多，网络上的所有支线节点均能收听到这个广播信号，但是只有目标节点才能接收这个广播信号，就像高铁站的广播只有买了特定车票的人在收到广播信号的情况下才会上车一样，其余节点待目标节点接收完毕后，就像特定列车上的人都上车后，才能忽略这项广播信号。总线型拓扑结构优点在于容易实现并且构建成本很低，但是其容错能力和可拓展性较差。

3.2环型拓扑结构

环型拓扑结构各节点通过总线构成一个封闭的圆环状的互联系统，其实时性好，数据载量较大，可作为高速互联系统使用，但其灵活性不好，不易发散。当环形拓扑结构中的一个枢纽在出现问题的情况下，将会造成整个链路的瘫痪，因为其特点就在于环环相扣，对于军用导弹系统的来说，系统在测试过程中有可能会遭到攻击而导致某节点被破坏，进而影响整个系统工作，因此环型拓扑结构不适用在军用导弹的链路设计中。

3.3星型拓扑结构

星型拓扑结构是一个中心枢纽节点连接多个分支节点的网络结构，所有节点间的通讯必须经过中心枢纽节点再发送至需要接受信号的节点，这个中心枢纽就像一个重要的交通站一样，无论你去哪里，都必须经过这个交通站换乘通往其他地区的汽车。星型拓扑结构集中式的特性使得链路易于拓展，且网络稳定性较好，当某一个分支节点因故障而中断时不会对整个网络产生太大的影响，就像通往特定地点的路断了之后不会对道路没有出现损坏的交通会造成影响一样，但相比于其他网络拓扑结构，星型拓扑结构需要消耗更多的电缆，需要修建更多的“交通道路”，增加了构建交通网络的成本。

4. 结语

发展到今天，CAN 总线已经获得行业内的高度认可，其应用也从汽车电子领域延伸至工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备、航空航天等领域。本文详细描述了CAN网络的特点、以及各种典型网络拓扑结构的优点以及缺点，明确了网络拓扑结构选择的具体思路和方法，具有很好的指导价值。

参考文献

[1]瞿军，邵建波，李昊. 基于 CAN总线的舰载导弹测发控 系统[J]. 火力与指挥控制，2005，30（8）：189-191.

[2]孙永锋. 浅析基于 CAN 总线的网络拓扑结构设计[J]. 汽车实用技术，2017，21（21）：58-59.

[3]张杨，徐宏伟，黎玉刚等. 基于1553B总线的导弹武器系 统通信协议设计与仿真[J]. 2014，34（6）：177-180.

[4]刘勇，韩辰，佟为明. 一种新的 CAN 总线位填充方案 [J]. 电器与能效管理技术，2008，5（10）：36-39.